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地质地球所等揭示青藏高原东缘成因

2022-08-18 地质与地球物理研究所
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  青藏高原作为“世界屋脊”,其形成演化,特别是内部的地壳变形、加厚隆升以及向外扩张等,是地球科学领域研究的重点内容。针对青藏高原东缘特殊的地质现象,如大规模的走滑断层,显著的地壳加厚及缺少新生代地壳缩短等,前人提出了三个经典的地质学模型,分别是刚性块体挤出、岩石圈尺度连续变形以及大规模的中下地壳流。其中,大规模(>1000km)的中下地壳流在最近20年间受到众多学者的广泛关注和支持。该模型认为,青藏高原东缘的地壳加厚是由于地壳物质在25-40km的深部从青藏高原的内部(北羌塘地块)向东流动,加入到青藏高原东缘导致的。地球物理观测结果显示,在青藏高原东缘和内部存在广泛的低速高导层,支持中下地壳物质可以发生流动。但是,也有学者对此提出质疑,认为该模型缺少地质证据,而且近年的一些研究结果也似乎不支持这种大规模的地壳流存在。

  根据大规模中下地壳流模型显示,青藏高原东缘晚中新世-上新世的显著抬升且缺少地壳缩短变形是由于地壳流导致的。根据该模型的预测,需要大概2000万年完成地壳的加厚和抬升,因此地壳流的起始时间应该在30-40Ma之间。其次,对于地壳流模型来说,压力梯度是其形成的初始和必要条件,而青藏高原中部在始新世便已有较高的海拔高度,所以,在始新世时期,青藏高原中部与东缘之间是可能存在压力梯度的。除此之外,目前观察到的青藏高原中部和东缘较高的地温梯度也是形成大规模地壳流的必要条件。由此,大规模地壳流所需要的条件似乎均已满足。

  为探究是否是大规模地壳流塑造了青藏高原东缘,中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室特聘副研究员胡方泱与中科院院士吴福元、美国亚利桑那大学教授Mihai N. Ducea、美国怀俄明大学副教授James B. Chapman等合作,对青藏高原东缘最大的新生代侵入体——贡嘎山-折多山花岗质侵入杂岩体进行了系统研究。该杂岩体位于前人提出的大规模地壳流的通道之上,根据前人的研究结果,北羌塘地块的地壳组成特征与青藏高原东缘(松潘-甘孜地块)可以进行区分。因此,若新生代时期存在地壳内部物质的大规模向东流动,由于这些花岗质岩石主要来自于地壳的部分熔融,则其反映的岩浆源区应当发生改变(图1)。

  研究团队经过野外调查和室内分析,并结合前人的研究结果,发现贡嘎山-折多山侵入杂岩体记录了中生代(215-172Ma)和新生代(50-3Ma)两阶段的多期岩浆作用,特别是新生代时期有三期岩浆作用,分别为50-30Ma、20-10Ma和5-3Ma。根据不同期次岩石的同位素组成特征,他们发现从中生代到新生代时期,这些花岗质岩石的源区并未发生改变,岩浆主要来自于松潘-甘孜地块的基性下地壳和变质沉积岩(图2)。为确定这些岩石的源区能否代表中下地壳流的层位,研究团队利用Perple_X相平衡模拟和微量元素模拟的方法,通过假定不同源区进行部分熔融模拟,模拟得到的熔体成分与所观察到的样品成分基本吻合,并由此获得了新生代岩浆岩形成的温压条件。根据获得的温压条件,研究团队发现这些新生代岩浆主要形成于30-40 km,这与地壳流模型所提出的深度基本一致(图2)。研究结果显示,在这一地壳流应当存在的地壳深度,并不存在来自青藏高原内部的地壳物质,这显然不符合大规模地壳流模型的预测。

  研究团队进一步发现,新生代岩浆的源区存在阶段性变化,即50-30 Ma和5-3 Ma的花岗质岩石来自于变质基性岩的部分熔融,而20-10 Ma花岗质岩石来自于变质沉积岩的部分熔融,这表明发生了两次岩浆源区的转变。这两次转变恰好可以对应青藏高原东缘两次抬升事件,并且可以对应区域幔源岩浆作用(图3)。综合区域和数值模拟研究结果,研究团队认为软流圈地幔的上涌可能是导致青藏高原东缘抬升的重要因素,除此之外,长期的壳源岩浆作用可能改变了地壳的流变性质,在持续的印度-欧亚大陆碰撞作用之下,塑造了青藏高原东缘现今的地质特征和地貌特点。

  相关研究成果发表在Geophysical Research Letters上。研究工作得到国家自然科学基金委员会基础科学中心项目、国家自然科学基金青年科学基金项目和中国博士后科学基金面上项目等的资助。

  论文链接 

图1 青藏高原与贡嘎山折多山地质简图以及模型概念图。图中黄色箭头指示潜在地壳流的移动方向

  图2 贡嘎山-折多山花岗质岩石同位素特征与新生代岩石热力学及微量元素模拟分析结果。空心符号代表中生代样品,实心符号代表新生代样品。模拟分析结果显示新生代岩石的形成深度与地壳流模型一致,但是同位素组成表明这些岩石来自于原地地壳物质的部分熔融,其源区组成与中生代岩石一致

  图3 贡嘎山-折多山新生代花岗质岩石同位素组成随时间的变化及其与区域岩浆-构造作用的关系。新生代的岩浆源区经历了两次转变,可以与区域构造抬升历史和岩浆作用进行对比,表明青藏高原东缘岩浆作用与构造作用联系密切。软流圈地幔的上涌与持续的挤压碰撞作用共同塑造了青藏高原东缘

打印 责任编辑:江澄

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